JP2021132199A - 窒化物圧電体およびそれを用いたｍｅｍｓデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】製造時の取扱いが容易で、高い性能指数（圧電定数（ｄ３３）、圧電応力定数（ｅ３３）、弾性定数（Ｃ３３）、圧電出力定数（ｇ３３）および電気機械結合定数（ｋ２）の少なくとも何れか１つ）の値を有する窒化物圧電体およびそれを用いたＭＥＭＳデバイスを提供する。【解決手段】化学式Ａｌ１-ＸＭＸＮで表され、Ｘは０より大きく１より小さい範囲にあることを特徴とする窒化物圧電体であって、Ｍは、遷移金属元素の中から選ばれる、２つ以上の異なる元素を示す。【選択図】図３

Description

本発明は、２種類以上の遷移金属元素を添加した窒化物圧電体およびそれを用いたＭＥＭＳデバイスに関するものである。

圧電現象を利用するデバイスは、幅広い分野において用いられており、小型化および省電力化が強く求められている携帯電話機などの携帯用機器において、その使用が拡大している。その一例として、薄膜バルク音響波共振子（Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ；ＦＢＡＲ）を用いたＦＢＡＲフィルタがある。

ＦＢＡＲフィルタは、圧電応答性を示す薄膜の厚み縦振動モードを用いた共振子によるフィルタであり、ギガヘルツ帯域における共振が可能であるという特性を有する。このような特性を有するＦＢＡＲフィルタは、低損失であり、かつ広帯域で動作可能であることから、携帯用機器のさらなる高周波対応化、小型化および省電力化に寄与することが期待されている。

このようなＦＢＡＲに用いられる圧電体薄膜の圧電体材料としては、例えばスカンジウムを添加した窒化アルミニウム（特許文献１参照）や、マグネシウムおよびタンタルを添加した窒化アルミニウム（特許文献２）等が挙げられる。特にスカンジウムを添加した窒化アルミニウムは、高い圧電定数を有し、次世代の高周波フィルタへの利用に期待されている。また、これらの圧電体材料は、圧力センサ、加速度センサ、ジャイロセンサなどの物理センサ、アクチュエータ、マイクロフォン、指紋認証センサ、振動発電機等の様々なＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）デバイスへの利用に期待されている。

特開２００９−１０９２６号公報 特許第５９０４５９１号公報

しかしながら、スカンジウム（Ｓｃ）は高価な希土類元素であり、Ｓｃを添加した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成された圧電体は他の物質で構成された圧電体と比較して、製造コストが高額になる傾向がある。これまで、ＡｌＮに添加する元素は、Ａｌの原子価（＋３）と同じ原子価を有する元素が選択されてきた。しかし、原子価が＋３の金属元素の数は限られるため、最近では原子価が＋２の典型金属元素（Ｍｇ,Ｚｎ,Ｃａ,Ｓｒ）と、原子価が＋４または＋５の遷移金属元素とを組合せて添加（共添加）することで圧電特性の向上が図られている。しかしながら、マグネシウム（Ｍｇ）のような典型金属元素は活性が高く反応し易いという性質を有する。そのため、Ｍｇおよびニオブ（Ｎｂ）のように典型元素金属が含まれる複数の金属を添加したＡｌＮで構成された圧電体は、製造時の取扱いが難しいという問題点があった。

本発明は上述した事情に鑑み、製造時の取扱いが容易で、ＡｌＮよりも高い性能指数（圧電定数（ｄ_３３）、圧電応力定数（ｅ_３３）、弾性定数（Ｃ_３３）、圧電出力定数（ｇ_３３）および電気機械結合定数（ｋ^２）の少なくとも何れか１つ）の値を有する窒化物圧電体およびそれを用いたＭＥＭＳデバイスを提供することを目的とする。

後述するように、遷移金属元素同士の組み合わせは膨大であり、それらを指針もなく検討していては膨大な時間がかかってしまう。そこで、本発明の発明者は、上述した問題点に関して鋭意研究を続けた結果、後述する全く新しい考えの下、以下のような画期的な窒化物圧電体を見出した。

上記課題を解決するための本発明の第１の態様は、化学式Ａｌ_１-ＸＭ_ＸＮで表され、Ｘは０より大きく１より小さい範囲にあることを特徴とする窒化物圧電体（Ｍは、遷移金属元素の中から選ばれる、２つ以上の異なる元素を示す。）にある。なお、Ｍが複数の遷移金属元素で構成されている場合には、Ｘはその全遷移金属元素の濃度の合計を示す。

ここで、「遷移金属元素」とは、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）をいう。

かかる第１の態様では、製造時の取扱いが容易で、高い性能指数を有する窒化物圧電体を提供することができる。

本発明の第２の態様は、Ｍの平均Ｂｏｒｎ有効電荷が、１．４〜３．２の範囲にあることを特徴とする第１の態様に記載の窒化物圧電体にある。

ここで、「平均Ｂｏｒｎ有効電荷」とは、次式によって算出される各遷移金属元素ごとのＢｏｒｎ有効電荷（Ｚ_３３）に、その遷移金属元素のモル数を乗じ、それらの合計値を、全体のモル数で除した（モル数で加重平均した）、１原子（遷移金属元素）当たりの有効電荷をいう。

この式中、ΔＰ_ｘは特定のイオンをｙ方向にｕ_ｙだけ微小変位させた際に系に誘起されるｘ方向の分極を、Ｖは結晶格子の体積を、ｅは電気素量をそれぞれ示す。なお、ΔＰ_ｘおよびｕ_ｙは、後述する第１原理計算により算出される。

したがって、後述する第１原理計算を用いて、ΔＰ_ｘおよびｕ_ｙの数値を各遷移金属元素ごとに求める。次に、それらを上述した式に代入することによって、各遷移金属元素ごとのＢｏｒｎ有効電荷を求めることができる。そして、得られた各遷移金属元素ごとのＢｏｒｎ有効電荷をモル数で加重平均することによって、平均Ｂｏｒｎ有効電荷を算出することができる。

かかる第２の態様では、製造時の取扱いが容易で、より高い性能指数を有する窒化物圧電体を提供することができる。

本発明の第３の態様は、化学式Ａｌ_１-Ｘ-ＹＭ１_ＸＭ２_ＹＮで表され、Ｘ＋Ｙが１より小さく、かつＸは０より大きく１より小さく、Ｙは０より大きく１より小さい範囲にあることを特徴とする窒化物圧電体（Ｍ１は、遷移金属元素の中から選ばれる１つの元素を示し、Ｍ２は、Ｍ１以外の遷移金属元素の中から選ばれる１つの元素を示す。）にある。

かかる第３の態様では、製造時の取扱いが容易で、何の元素も添加されていないＡｌＮ（ノンドープＡｌＮ）よりも高い性能指数を有する窒化物圧電体を提供することができる。

本発明の第４の態様は、Ｍ１およびＭ２の平均Ｂｏｒｎ有効電荷が、１．４〜２．７の範囲にあることを特徴とする第３の態様に記載の窒化物圧電体にある。

かかる第４の態様では、製造時の取扱いが容易で、より高い性能指数を有する窒化物圧電体を提供することができる。

本発明の第５の態様は、Ｍ１がＨｆであることを特徴とする第３または第４の態様に記載の窒化物圧電体にある。

かかる第５の態様では、製造時の取扱いが容易で、さらに高い性能指数を有する窒化物圧電体を提供することができる。

本発明の第６の態様は、Ｍ２が、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｔｃ，Ｒｕ，Ａｇ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｐｔ，Ａｕの何れか１つであることを特徴とする第３〜第５の態様の何れか１つに記載の窒化物圧電体にある。

かかる第６の態様では、ノンドープＡｌＮよりも高いｇ_３３を有する窒化物圧電体を提供することができる。

本発明の第７の態様は、Ｍ２が、Ｆｅ,Ｃｏ,Ｎｉ,Ｃｕ,Ｍｏ,Ｔｃ,Ｒｕ,Ｗ,Ｒｅ,Ｏｓの何れか１つであることを特徴とする第３〜第５の態様の何れか１つに記載の窒化物圧電体にある。

かかる第７の態様では、ノンドープＡｌＮよりも高いｋ^２を有する窒化物圧電体を提供することができる。

本発明の第８の態様は、Ｍ２が、Ｖ,Ｃｒ,Ｚｒ,Ｔｃ,Ｒｕ,Ｔａ,Ｒｅ,Ｏｓの何れか１つであることを特徴とする第３〜第５の態様の何れか１つに記載の窒化物圧電体にある。

かかる第８の態様では、ノンドープＡｌＮ、同濃度のＳｃが添加された窒化アルミニウムおよび合計濃度が同濃度となるマグネシウム（Ｍｇ）とニオブ（Ｎｂ）とが添加された窒化アルミニウムよりも高いｄ_３３を有する窒化物圧電体を提供することができる。

本発明の第９の態様は、Ｘ＋Ｙが０．５より小さく、かつＸは０より大きく０．５より小さく、Ｙは０より大きく０．５より小さい範囲にあることを特徴とする第３〜第８の態様の何れか１つに記載の窒化物圧電体にある。

かかる第９の態様では、製造時の取扱いがより容易で、高い性能指数を有する窒化物圧電体を提供することができる。

本発明の第１０の態様は、Ｘ＋Ｙが０．３７５より小さく、かつＸは０より大きく０．３７５より小さく、Ｙは０より大きく０．３７５より小さい範囲にあることを特徴とする第３〜第８の態様の何れか１つに記載の窒化物圧電体にある。

かかる第１０の態様では、製造時の取扱いがさらに容易で、高い性能指数を有する窒化物圧電体を提供することができる。

本発明の第１１の態様は、第１〜第１０の態様の何れか１つに記載の窒化物圧電体を用いたＭＥＭＳデバイスにある。

ここで、「ＭＥＭＳデバイス」とは、微小電気機械システムであれば特に限定されず、例えば、圧力センサ、加速度センサ、ジャイロセンサなどの物理センサやアクチュエータ、マイクロフォン、指紋認証センサ、振動発電機等が挙げられる。

かかる第１１の態様では、これらの高い性能指数を有する圧電体は、低損失であり、かつ広帯域で動作可能である。したがって、これらの圧電体を用いることにより、携帯用機器のさらなる高周波対応化、小型化および省電力化に寄与することができるＭＥＭＳデバイスを提供することができる。

図１は実施形態１に係るシミュレーションに用いたドープＡｌＮの計算モデルの一例を示す図である。 図２は実施形態１における各ドープＡｌＮの平均Ｂｏｒｎ有効電荷を示すグラフである。 図３は実施形態１におけるノンドープＡｌＮ、ＳｃのみをドープしたＡｌＮ、ＭｇおよびＮｂをドープさせたＡｌＮ、並びに各ドープＡｌＮと圧電定数ｄ_３３との関係を示すグラフである。 図４は実施形態１におけるノンドープＡｌＮ、ＳｃのみをドープしたＡｌＮ、ＭｇおよびＮｂをドープさせたＡｌＮ、並びに各ドープＡｌＮと圧電出力定数ｇ_３３との関係を示すグラフである。 図５は実施形態１におけるノンドープＡｌＮ、ＳｃのみをドープしたＡｌＮ、ＭｇおよびＮｂをドープさせたＡｌＮ、並びに各ドープＡｌＮと電気機械結合定数ｋ^２との関係を示すグラフである。 図６は実施形態２に係るシミュレーション（３つの異なる遷移金属をドープしたケース）に用いたドープＡｌＮの計算モデルの一例を示す図である。 図７は実施形態２における各ドープＡｌＮの平均Ｂｏｒｎ有効電荷を示すグラフである。 図８はノンドープＡｌＮおよび実施形態２における各ドープＡｌＮと圧電定数ｄ_３３との関係を示すグラフである。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る窒化物圧電体の実施形態を説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
（実施形態１）

まず、発明者が、アルミニウム（Ａｌ）と窒素（Ｎ）のみからなる窒化アルミニウム（ノンドープＡｌＮ）に対して行ったシミュレーションについて説明する。シミュレーションには、第１原理計算（ｆｉｒｓｔ−ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ）と呼ばれる計算方法を採用しているＶＡＳＰ（Ｖｉｅｎｎａ Ａｂ ｉｎｉｔｉｏ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｐａｃｋａｇｅ）というソフトウェアを用いた。ここで、第１原理計算とは、フィッティングパラメータ等を使用しない電子状態計算方法の総称であり、単位格子あるいは分子等を構成する各原子の原子番号と座標だけで、電子状態を計算することができる手法である。

本実施形態のシミュレーションでは、２個のアルミニウム原子と２個の窒素原子とからなる単位格子を、ａ軸、ｂ軸、及びｃ軸方向にそれぞれ２倍した１６個のアルミニウム原子と１６個の窒素原子とからなるスーパーセルのウルツ鉱型結晶構造のノンドープＡｌＮをシミュレーションに用いた。そして、このウルツ鉱型結晶構造のＡｌＮに対して、原子座標、セル体積およびセル形状の全てを同時に動かして第１原理計算を行い、安定構造のノンドープＡｌＮの電子状態を計算した。

表１は、第１原理計算で求めた安定構造のＡｌＮの電子状態から算出したａ軸方向の格子定数、ｃ軸方向の格子定数およびａ軸方向の格子定数とｃ軸方向の格子定数との比（ｃ／ａ）の値（計算値）である。また、実際にスパッタ法を用いてノンドープＡｌＮ膜を成膜して、このＡｌＮ膜に対してＸ線回折法を用いて測定した実験値についても表１に示す。

この表に示すように、各計算値は、実験値とほぼ同じ数値となり、これらの相対誤差は１％以内に収まっている。この結果より、本実施形態におけるシミュレーションは、十分に信頼できることが分かった。
＜遷移金属元素の選択方法＞

次に、本発明の発明者が新たに考え出した、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に、添加する２種類以上の遷移金属元素の選択方法について説明する。

従来の知見では、ＡｌＮに添加する元素は、原子価が３価をとる典型元素が望ましいと考えられてきた。これは、添加する元素（原子）は、Ａｌ原子を置換するものであることから、Ａｌ原子と同じ価数を持つものが好ましいと考えられてきたからある。

一方、遷移金属元素は、複数の原子価をとるので、ＡｌＮに添加した際に、原子価が３価をとらない（３価として振る舞わない）可能性がある。しかも、２種類以上の遷移金属元素をＡｌＮに添加した場合には、それに含まれる遷移金属元素のそれぞれの価数を予測することは全くできない。したがって、２種類以上の遷移金属元素をＡｌＮに添加した窒化物圧電体の性能指数を調べるには、具体的な組み合わせごとに実験または数値計算を行う必要がある。

しかしながら、遷移金属元素同士の組み合わせ数は膨大（２種類の組み合わせだけでなく、それ以上の組み合わせもある）である。したがって、それらの組み合わせの性能指数を数値計算により求めるにしても、膨大な計算時間がかかってしまうので、非現実的である。

そこで、本発明の発明者は、試行錯誤の末、次式に示される「Ｂｏｒｎ有効電荷」に着目した。

この式中、ΔＰ_ｘは特定のイオンをｙ方向にｕ_ｙだけ微小変位させた際に系に誘起されるｘ方向の分極を、Ｖは結晶格子の体積を、ｅは電気素量をそれぞれ示す。本実施形態では、ΔＰ_ｘおよびｕ_ｙは、上述したＶＡＳＰにより自動的に算出される。

このＢｏｒｎ有効電荷（Ｚ_３３）は、圧電現象（圧電効果）における実質的な原子価を示すと理解される。なお、ＡｌのＢｏｒｎ有効電荷（Ｚ_３３）は、２．７である。

したがって、本発明の発明者は、上述したシミュレーションにより、窒化物圧電体に含まれる各遷移金属元素の平均Ｂｏｒｎ有効電荷（各遷移金属元素のＢｏｒｎ有効電荷（Ｚ_３３）をモル数で加重平均したもの）を算出し、得られた「平均Ｂｏｒｎ有効電荷」が２．７に近ければ、窒化物圧電体に含まれるＡｌの化学的な状態に似ているはずであり、ＡｌＮ圧電体への添加元素として有効であるという考えに辿り着いたのである。
＜本実施形態における窒化物圧電体＞

上記の考えが成立することを示すために、ＡｌＮに、ハフニウム（Ｈｆ）と共にＨｆ以外の遷移金属元素Ｍ２をドープさせたドープＡｌＮに関し、シミュレーションを行った。図１は、本実施形態に係るシミュレーションに用いた、ＨｆとＨｆ以外の遷移金属元素Ｍ２とをドープさせたドープＡｌＮ（Ａｌ_１-Ｘ-YＨｆ_ＸＭ２_ＹＮ）の結晶構造の一例を示す図である。

この図に示すように、このドープＡｌＮの結晶構造は、１６個のＡｌ原子と１６個のＮ原子とからなる単位格子のうち、１個のＡｌ原子をＨｆ原子に置き換え、かつ１個のＡｌ原子を遷移金属元素Ｍ２原子に置き換えたウルツ鉱型結晶構造となっている。ここで、Ａｌ原子数と、Ｈｆ原子数およびＨｆ以外の遷移金属元素Ｍ２原子数との総数を１としたときの、Ｈｆ原子の個数をＸとし、Ｈｆ以外の遷移金属元素Ｍ２原子の個数をＹとする。すると、このシミュレーションに用いたドープＡｌＮのＨｆ原子の濃度ＸおよびＨｆ以外の遷移金属元素Ｍ２の濃度Ｙはいずれも０．０６２５となる。なお、これらのドープＡｌＮ（Ａｌ_{０．８７５}Ｈｆ_{０．０６２５}Ｍ２_{０．０６２５}Ｎ）は、上述した非特許文献１に記載された製造方法で実際に作製することができる。

本実施形態では、Ｈｆ以外の遷移金属元素Ｍ２として、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）を用いた。

これらのドープＡｌＮ、ＳｃのみをドープさせたＡｌＮ並びに、ＭｇおよびＮｂをドープさせたＡｌＮについても、ノンドープＡｌＮの場合と同様に第１原理計算により安定構造の電子状態を計算することができる。

そして、安定構造のノンドープＡｌＮ、ＳｃのみをドープさせたＡｌＮ、ＭｇおよびＮｂをドープさせたＡｌＮ、並びに上述した各ドープＡｌＮの結晶格子のそれぞれに微小変位ｕ_ｙを強制的に加える。すると、その際の全エネルギーの微小変化から、ノンドープＡｌＮ、ＳｃのみをドープさせたＡｌＮ、ＭｇおよびＮｂをドープさせたＡｌＮ、並びに上述した各ドープＡｌＮの、圧電応力定数ｅ_３３、弾性定数Ｃ_３３および誘電率ε_３３をそれぞれ計算することができる。また、同時に、上述したΔＰ_ｘおよびＶの数値も計算することができる。すなわち、第１原理計算を用いて、ノンドープＡｌＮ、ＳｃのみをドープさせたＡｌＮ、ＭｇおよびＮｂをドープさせたＡｌＮ、並びに上述した各ドープＡｌＮの結晶格子それぞれのｅ_３３、Ｃ_３３、ε_３３、ΔＰ_ｘおよびＶをそれぞれ計算することができる。

そして、ΔＰ_ｘおよびＶの数値を、上述した数２にそれぞれ代入することによって、各ドープＡｌＮにおける平均Ｂｏｒｎ有効電荷を算出することができる。図２に、得られた各ドープＡｌＮにおける平均Ｂｏｒｎ有効電荷のグラフを示す。なお、このグラフの横軸は、ドープされた遷移金属元素の組み合わせを示す。

この図から、各遷移金属元素をドープさせたＡｌＮの平均Ｂｏｒｎ有効電荷は、１．４〜３．２の範囲にあることが分かった。

また、ｃ軸方向の圧電応力定数ｅ_３３、弾性定数Ｃ_３３および誘電率ε_３３と、電気機械結合定数ｋ^２との間には、次の数３の関係式が成り立つ。また、圧電定数ｄ_３３と、圧電応力定数ｅ_３３、弾性定数Ｃ_３３および圧電出力定数ｇ_３３との間には、次の数４の関係式がそれぞれ成立する。

そこで、これらの関係式に、上記で算出されたノンドープＡｌＮ、ＳｃのみをドープしたＡｌＮ、ＭｇおよびＮｂをドープさせたＡｌＮ、並びに上述した各ドープＡｌＮの圧電定数ｅ_３３、弾性定数Ｃ_３３および誘電率ε_３３等をそれぞれ代入することによって、ノンドープＡｌＮ、ＳｃのみをドープしたＡｌＮおよび上述した各ドープＡｌＮの電気機械結合定数ｋ^２、圧電定数ｄ_３３および圧電出力定数ｇ_３３をそれぞれ算出することができる。なお、弾性定数Ｃ_１１、Ｃ_１２、Ｃ_１３や圧電応力定数ｅ_３１は、圧電応力定数ｅ_３３、弾性定数Ｃ_３３と同様にして算出することができる。

このようにして得られたノンドープＡｌＮ、ＳｃのみをドープしたＡｌＮ、ＭｇおよびＮｂをドープさせたＡｌＮ、並びに上述した各ドープＡｌＮの圧電定数ｄ_３３を図３に示す。このグラフの横軸は、ノンドープＡｌＮおよびドープされた遷移金属元素の組み合わせを示す（例えば、ＡｌＮはノンドープＡｌＮを示し、ＳｃはＳｃのみがドープされたＡｌＮを示し、ＰｄＨｆは、Ａｌ_{０．８７５}Ｈｆ_{０．０６２５}Ｐｄ_{０．０６２５}Ｎを示す）。ここで、圧電定数ｄ_３３は、大きい数値であればあるほど、高い性能指数であることを示す。

この図から分かるように、ＰｄＨｆの組み合わせ以外の上記したドープＡｌＮは、ノンドープＡｌＮよりも高いｄ_３３の数値を有することが分かった。また、ＶＨｆ、ＣｒＨｆ、ＺｒＨｆ、ＴｃＨｆ、ＲｕＨｆ、ＴａＨｆ、ＲｅＨｆおよびＯｓＨｆの組み合わせのドープＡｌＮは、ＭｇおよびＮｂをドープさせたＡｌＮよりも高いｄ_３３の数値を有することが分かった。

次に、得られた各ドープＡｌＮの圧電出力定数ｇ_３３を図４に示す。このグラフの横軸も、図３と同様に、ドープされた遷移金属元素の組み合わせを示す。ここで、圧電出力定数ｇ_３３は、大きい数値であればあるほど、高い性能指数であることを示す。

この図から分かるように、ＦｅＨｆ、ＣｏＨｆ、ＮｉＨｆ、ＣｕＨｆ、ＭｏＨｆ、ＴｃＨｆ、ＲｕＨｆ、ＡｇＨｆ、ＷＨｆ、ＲｅＨｆ、ＯｓＨｆ、ＰｔＨｆおよびＡｕＨｆの組み合わせのドープＡｌＮは、ノンドープＡｌＮよりも高いｇ_３３の数値を有することが分かった。

また、得られた各ドープＡｌＮの電気機械結合定数ｋ^２を図５に示す。このグラフの横軸も、図３と同様に、ドープされた遷移金属元素の組み合わせを示す。ここで、電気機械結合定数ｋ^２は、大きい数値であればあるほど、高い性能指数であることを示す。

この図から分かるように、ＦｅＨｆ、ＣｏＨｆ、ＮｉＨｆ、ＣｕＨｆ、ＭｏＨｆ、ＴｃＨｆ、ＲｕＨｆ、ＷＨｆ、ＲｅＨｆおよびＯｓＨｆの組み合わせのドープＡｌＮは、ノンドープＡｌＮよりも高いｋ^２の数値を有することが分かった。

なお、本実施形態では、化学式Ａｌ_１-Ｘ-ＹＨｆ_ＸＭ２_ＹＮで表された窒化物圧電体のうち、Ｘ＝０．０６２５、Ｙ＝０．０６２５のものを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されず、Ｘ＋Ｙが１より小さく、かつＸは０より大きく１より小さく、Ｙは０より大きく１より小さい範囲あればよい。

そして、これらの変数Ｘ、Ｙは、Ｘ＋Ｙが０．５以下で、かつＸは０より大きく０．５より小さく、Ｙは０より大きく０．５より小さい範囲にあることが好ましく、Ｘ＋Ｙが０．３７５以下で、かつＸは０より大きく０．３７５より小さく、Ｙは０より大きく０．３７５より小さい範囲にあることがより好ましい。この範囲であれば窒化物圧電体を確実に製造することができる。
（実施形態２）

実施形態１では、２種類の異なる遷移金属元素（Ｍ１、Ｍ２）をドープしたＡｌＮ（Ａｌ_１-Ｘ-ＹＭ１_ＸＭ２_ＹＮ）のうち、遷移金属元素Ｍ１をＨｆに固定したドープＡｌＮについて、性能指数を算出したが、本発明はこれに限定されない。遷移金属元素Ｍ１をＨｆ以外とし、遷移金属元素Ｍ２をその遷移金属元素Ｍ１以外の遷移金属元素で、かつＨｆ以外のものとを組み合わせてドープＡｌＮを構成してもよい。また、上述した平均Ｂｏｒｎ有効電荷の考え方を活用し、３種類以上の異なる遷移金属元素を組み合わせてドープＡｌＮを構成してもよい。

本実施形態では、Ｈｆが含まれない２種類の異なる遷移金属元素（Ｍ１、Ｍ２）の組み合わせの一例として、ＴａＩｒ、ＴａＰｔ、ＴａＡｕ、ＴｉＶ、ＶＣｒ、ＭｎＦｅ、ＦｅＣｏ、ＣｏＮｉ、ＮｉＣｕ、ＺｒＮｂ、ＮｂＭｏ、ＲｕＲｈ、ＲｈＰｄ、ＰｄＡｇ、ＯｓＩｒ、ＩｒＰｔおよびＰｔＡｕを用い、また３種類の異なる遷移金属元素の組み合わせの一例として、ＴｉＶＣｒ、ＭｎＦｅＣｏ、ＮｉＣｕＺｒ、ＨｆＴａＡｇおよびＨｆＴａＷを用い、実施形態１と同様にして各ドープＡｌＮにおける平均Ｂｏｒｎ有効電荷を算出した。ここで、図６は、本実施形態に係るシミュレーションに用いたドープＡｌＮの計算モデルの一例を示す図である。実際のシミュレーションでは、３種類の異なる遷移金属元素をドープさせたドープＡｌＮとして、Ａｌ_{０．８１２５}Ｍ１_{０．０６２５}Ｍ２_{０．０６２５}Ｍ３_{０．０６２５}Ｎを用いた（Ｍ１、Ｍ２およびＭ３は、それぞれ異なる遷移金属元素を示す）。なお、これらのドープＡｌＮは、上述した非特許文献１に記載された製造方法で実際に作製することができる。

上記シミュレーションの結果を図７に示す。このグラフの横軸も、図２と同様に、ドープされた遷移金属元素の組み合わせを示す。この図から、各遷移金属元素をドープさせたＡｌＮの平均Ｂｏｒｎ有効電荷は、１．４〜３．２の範囲にあることが分かる。

次に、実施形態１と同様にして、各ドープＡｌＮの圧電定数ｄ_３３を算出した。その結果を図８に示す。このグラフの横軸も、図３と同様に、ノンドープＡｌＮおよびドープされた遷移金属元素の組み合わせを示す。この図から分かるように、各ドープＡｌＮは、ノンドープＡｌＮよりも高いｄ_３３の数値を有することが分かった。なお、実施形態１と同様の計算を行うことによって、各ドープＡｌＮのｇ_３３およびｋ^２を算出することもできる。

このように、Ｈｆ以外の２種類の異なる遷移金属元素をドープさせたドープＡｌＮであっても、また、３種類の異なる遷移金属元素をドープさせたドープＡｌＮであっても、実施形態１と同様の効果が得られることが分かった。

なお、本実施形態では、３種類の異なる遷移金属元素の組み合わせの一例として、化学式Ａｌ_{０．８１２５}Ｍ１_{０．０６２５}Ｍ２_{０．０６２５}Ｍ３_{０．０６２５}Ｎについて説明したが、本発明はこれに限定されず、各遷移金属のモル濃度の合計値が１より小さく、かつ各遷移金属のモル濃度は０より大きく１より小さい範囲あればよい。
（他の実施形態）

上述した実施形態では、２種類または３種類以上の異なる遷移金属元素をドープさせたドープＡｌＮについて説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上述したドープＡｌＮを用いたＭＥＭＳデバイスを構成してもよい。ＭＥＭＳデバイスの構成は特に限定されず、公知の技術を用いることができる。

このように構成されたＭＥＭＳデバイスは、上述した高い性能指数を有するドープＡｌＮを用いており、低損失であり、かつ広帯域で動作可能となるので、携帯用機器のさらなる高周波対応化、小型化および省電力化に寄与することができるものである。

Claims (11)

1. 化学式Ａｌ_１-ＸＭ_ＸＮで表され、Ｘは０より大きく１より小さい範囲にあることを特徴とする窒化物圧電体。
   （Ｍは、遷移金属元素の中から選ばれる、２つ以上の異なる元素を示す。）
2. 前記Ｍの平均Ｂｏｒｎ有効電荷が、１．４〜３．２の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の窒化物圧電体。
3. 化学式Ａｌ_１-Ｘ-ＹＭ１_ＸＭ２_ＹＮで表され、Ｘ＋Ｙが１より小さく、かつＸは０より大きく１より小さく、Ｙは０より大きく１より小さい範囲にあることを特徴とする窒化物圧電体。
   （Ｍ１は、遷移金属元素の中から選ばれる１つの元素を示し、Ｍ２は、Ｍ１以外の遷移金属元素の中から選ばれる１つの元素を示す。）
4. 前記Ｍ１および前記Ｍ２の平均Ｂｏｒｎ有効電荷が、１．４〜３．２の範囲にあることを特徴とする請求項３に記載の窒化物圧電体。
5. 前記Ｍ１がＨｆであることを特徴とする請求項３または４に記載の窒化物圧電体。
6. 前記Ｍ２が、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｔｃ，Ｒｕ，Ａｇ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｐｔ，Ａｕの何れか１つであることを特徴とする請求項３〜５の何れか１項に記載の窒化物圧電体。
7. 前記Ｍ２が、Ｆｅ,Ｃｏ,Ｎｉ,Ｃｕ,Ｍｏ,Ｔｃ,Ｒｕ,Ｗ,Ｒｅ,Ｏｓの何れか１つであることを特徴とする請求項３〜５の何れか１項に記載の窒化物圧電体。
8. 前記Ｍ２が、Ｖ,Ｃｒ,Ｚｒ,Ｔｃ,Ｒｕ,Ｔａ,Ｒｅ,Ｏｓの何れか１つであることを特徴とする請求項３〜５の何れか１項に記載の窒化物圧電体。
9. Ｘ＋Ｙが０．５より小さく、かつＸは０より大きく０．５より小さく、Ｙは０より大きく０．５より小さい範囲にあることを特徴とする請求項３〜８の何れか１項に記載の窒化物圧電体。
10. Ｘ＋Ｙが０．３７５より小さく、かつＸは０より大きく０．３７５より小さく、Ｙは０より大きく０．３７５より小さい範囲にあることを特徴とする請求項３〜８の何れか１項に記載の窒化物圧電体。
11. 請求項１〜１０の何れか１項に記載の窒化物圧電体を用いたＭＥＭＳデバイス。
    
    

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